JP7241386B2 - ガラス蛍光体および照明装置 - Google Patents

Description

本発明は、光の波長を変換する波長変換部材に用いられるガラス蛍光体に関する。

白色ＬＥＤやプロジェクタなどの照明部材および表示部材などでは、青色ＬＥＤあるいは紫外ＬＥＤなどの励起光源からの光を、蛍光体を含む波長変換部材に照射して波長を変換することにより、所望の色を得る方法が広く用いられている。現行の波長変換部材としては、結晶蛍光体粉末を樹脂に分散ないし塗布（成膜）したものが広く用いられている。しかし、そのような波長変換部材では、より明るい光を得るため高出力化すると、励起光源の発熱や光による加熱により樹脂が劣化しやすく、透明性、放熱性に乏しいことから、高出力の励起光源には適さない。また、単結晶や透明セラミックスを用いた蛍光部材も存在するが、コストが高く、加工が難しいという問題がある。

これに対し、透明性、高耐候性、放熱性において現行の波長変換部材より優位なガラス蛍光体が注目されている（例えば、特許文献１）。ガラス蛍光体は、所望の形状に加工しやすい点で、単結晶や透明セラミックスを用いた蛍光部材に対しても優位性がある。

特開２０１６－１３８０２０号公報

しかし、ガラス蛍光体を薄くすると、光の吸収率が低くなり、外部量子効率（入射光強度と蛍光強度の比）が小さいため、十分な変換効率が得られないという問題がある。

具体的には、蛍光の外部量子効率（η_ＥＸ）は以下の式（１）から計算される。
η_ＥＸ＝Ｉ_ＥＭ／Ｉ_ＥＸ （１）
Ｉ_ＥＭ：蛍光光子数
Ｉ_ＥＸ：照射光子数
内部量子効率（η_ＩＮ）は、吸収光子数をＩ_ＡＢＳとすると、
η_ＩＮ＝Ｉ_ＥＭ／Ｉ_ＡＢＳ （２）
となる。ここで、透過率をＴとすると、
Ｉ_ＡＢＳ＝Ｉ_ＥＸ・（１－Ｔ） （３）
であるので、式（１）～（３）より、
η_ＥＸ＝η_ＩＮ・Ｉ_ＡＢＳ／Ｉ_ＥＸ＝η_ＩＮ・Ｉ_ＥＸ・（１－Ｔ）／Ｉ_ＥＸ
＝η_ＩＮ・（１－Ｔ） （４）
となる。式（４）より、透過率を低減すれば外部量子効率は内部量子効率に漸近することが分かる。Lambert-Beer則より、下記式が成立する。
１－Ｔ＝１－Ｉ_１／Ｉ_ＥＸ－Ｉ_ｒ／Ｉ_ＥＸ－Ｉ_Ｓ／Ｉ_ＥＸ
＝１－ｅｘｐ（ａｃｌ）－Ｉ_ｒ／Ｉ_ＥＸ－Ｉ_Ｓ／Ｉ_ＥＸ
Ｉ_１：透過光強度
Ｉ_ｒ：反射光強度
Ｉ_Ｓ：散乱光強度
ａ：モル吸光係数
ｃ：吸収イオンの濃度
ｌ：光路長

内部量子効率の高いガラス蛍光体は幾つか報告されているが、吸光係数が低いことによって透過率が大きくなり、外部量子効率を高くすることができないという問題がある。本明細書では、透明なガラスを想定しているので、Ｉ_Ｓはほとんど無視できるとする。外部量子効率を高めるためのアプローチとしては、
・光路長、吸収イオン濃度、モル吸光係数のいずれかを増大させることによる吸収量の増大
・反射光強度の低減
が挙げられる。

まず、吸収量の増大について、モル吸光係数（ａ）は、賦活イオンとホストで決まるので、変化させることができるパラメータは吸収イオンの濃度（ｃ）である。しかし、吸収イオンの濃度（ｃ）を上げると、濃度消光が起きて内部量子効率が激減するので有効なアプローチではない。

次に、反射光強度の低減について、ガラス蛍光体やガラスセラミックス蛍光体に反射防止構造を付与することで、反射によって失われる光を低減する技術は存在する。反射率（Ｒ）は以下の式により計算される。
Ｒ＝（ｎ_１－ｎ_０）^２／（ｎ_１＋ｎ_０）^２ （１）
ｎ_０：周囲媒体の屈折率
ｎ_１：ガラス蛍光体の屈折率
よって、Ｉ_ｒ／Ｉ_ＥＸは屈折率（ｎ）に依存するが、ｎ_０＝１．０（空気）とすると、ガラスの屈折率はｎ_１＝１．５～２．０程度であるため、この範囲であればＩ_ｒ／Ｉ_ＥＸは０．２を越えることはない。そのため、反射光強度の低減効果だけでは、外部量子効率は、せいぜい２０％強の増強しか見込めない。

以上のように、ガラス蛍光体を実用的な厚みに加工すると、既存の結晶蛍光体に匹敵する蛍光強度を得ることはできないという問題がある。

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであって、厚みを大きくすることなく、発光効率の高いガラス蛍光体を提供することを課題とする。

本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、光の回折現象を利用して、入射光の光路長を増やすことで、ガラス蛍光体の発光効率を高めることができることを見出した。

本発明はかかる知見に基づいて完成したものであり、下記の態様を有する。
項１．
波長がλ（３５０ｎｍ≦λ≦４７０ｎｍ）の光を照射すると蛍光を発するガラス蛍光体であって、
外面の少なくとも一部に、光を回折させる回折構造が形成されている、ガラス蛍光体。
項２．
前記ガラス蛍光体は平板形状であり、
前記回折構造は、前記平板形状のガラス蛍光体の少なくとも一方の平板面に形成されている、項１に記載のガラス蛍光体。
項３．
前記回折構造は、前記平板形状のガラス蛍光体の両方の平板面に形成されている、項２に記載のガラス蛍光体。
項４．
前記回折構造は、所定の方向に配列された複数の突条である、項１～３のいずれかに記載のガラス蛍光体。
項５．
前記光の波長がλであり、
前記突条の間隔ｄは０．７５×λ≦ｄ≦２．００×λである、項４に記載のガラス蛍光体。
項６．
前記光の波長がλであり、
前記突条の間隔ｄは０．９０×λ≦ｄ≦λである、項５に記載のガラス蛍光体。
項７．
前記光の波長が４００ｎｍ～４１０ｎｍであり、
前記突条の間隔は３００ｎｍ～８００ｎｍである、項４に記載のガラス蛍光体。
項８．
前記光の波長が４００ｎｍ～４１０ｎｍであり、
前記突条の間隔は３６５ｎｍ～４０５ｎｍである、項７に記載のガラス蛍光体。
項９．
前記光の波長が４５０～４７０ｎｍであり、
前記突条の間隔は３４０ｎｍ～９００ｎｍである、項４に記載のガラス蛍光体。
項１０．
前記光の波長が４５０～４７０ｎｍであり、
前記突条の間隔は４０５ｎｍ～４５０ｎｍである、項９に記載のガラス蛍光体。
項１１．
項１～１０のいずれかに記載のガラス蛍光体と、
前記ガラス蛍光体に前記光を照射する光源と、を備えた、照明装置。
項１２．
前記光の波長がλであり、
回折次数がｍであり、
前記ガラス蛍光体の周囲媒体の屈折率がｎ_０であり、
前記ガラス蛍光体の屈折率がｎ_１であり、
前記光が入射する平板面に前記突条が形成されており、
前記光が入射する前記平板面に対する角度(°)が、

以上である、項１１に記載の照明装置。
項１３．
前記光の波長がλであり、
回折次数がｍであり、
前記ガラス蛍光体の周囲媒体の屈折率がｎ_０であり、
前記ガラス蛍光体の屈折率がｎ_１であり、
前記光が入射する平板面、または前記平板面の反対側の平板面に前記突条が形成されており、
前記光が入射する前記平板面に対する角度が垂直であり、
前記突条の間隔ｄが、

以下である、項１１に記載の照明装置。
項１４．
前記光の波長がλであり、
回折次数がｍであり、
前記ガラス蛍光体の周囲媒体の屈折率がｎ_０であり、
前記光が入射する平板面の反対側の平板面に前記突条が形成されており、
前記光が前記ガラス蛍光体から出射する前記平板面に対する角度(°)が、

以上である、項１１に記載の照明装置。
項１５．
前記光が入射する前記平板面に対する角度(°)が、
ａｒｃｓｉｎ（１－ｍλ／ｎ_０ｄ）である、項１２または１４に記載の照明装置。
項１６．
前記光の波長が４００ｎｍ～４１０ｎｍであり、
前記光が入射する平板面に前記突条が２５０ｎｍ～７００ｎｍの間隔で形成されており、
前記光の入射方向の前記平板面に平行な成分が、前記突条の長手方向に垂直であり、
前記光が入射する前記平板面に対する角度が０°～３３°である、項１１に記載の照明装置。
項１７．
前記光の波長が４００ｎｍ～４１０ｎｍであり、
前記光が入射する平板面に前記突条が９００ｎｍ～２０００ｎｍの間隔で形成されており、
前記光の入射方向の前記平板面に平行な成分が、前記突条の長手方向に垂直であり、
前記光が入射する前記平板面に対する角度が３３°～５４°である、項１１に記載の照明装置。
項１８．
前記光の波長が４００ｎｍ～４１０ｎｍであり、
前記光が入射する平板面に前記突条が形成されており、
前記光の入射方向の前記平板面に平行な成分が、前記突条の長手方向に平行であり、
前記光が入射する前記平板面に対する角度が３０°～８０°である、項１１に記載の照明装置。
項１９．
前記光の波長が４００ｎｍ～４１０ｎｍであり、
前記光が入射する平板面と反対側の平板面に前記突条が２５０ｎｍ～２０００ｎｍの間隔で形成されており、
前記光の入射方向の前記平板面に平行な成分が、前記突条の長手方向に垂直であり、
前記光が入射する前記平板面に対する角度が０°～３２°である、項１１に記載の照明装置。
項２０．
前記光の波長が４００ｎｍ～４１０ｎｍであり、
前記光が入射する平板面と反対側の平板面に前記突条が形成されており、
前記光の入射方向の前記平板面に平行な成分が、前記突条の長手方向に平行であり、
前記光が入射する前記平板面に対する角度が３０°～８０°である、項１１に記載の照明装置。

本発明によれば、入射光の光路長を増やすことで、ガラス蛍光体の発光効率を高めることができる。

（ａ）は、本発明の実施形態に係るガラス蛍光体の断面図であり、図１（ｂ）は、当該ガラス蛍光体の平面図である。 図１（ａ）に示すガラス蛍光体の部分拡大断面図である。 （ａ）は、屈折率ｎ_１＝１．６２のガラス蛍光体における、回折光Ｌｄ１（ｓ偏光）の回折角βと反射率との関係を示すグラフであり、（ｂ）は、入射光の波長λが４０５（ｎｍ）である場合の、回折角と突条の間隔との関係を示すグラフである。 （ａ）～（ｃ）は、ガラス蛍光体の製造工程を示す概略図である。 （ａ）および（ｂ）は、ガラス蛍光体の変形例を示す断面図である。 図５（ａ）に示すガラス蛍光体の部分拡大断面図である。 本発明の実施形態に係る照明装置の概略図である。 照明装置の変形例である。 （ａ）は、本発明の実施例に係るガラス蛍光体の写真であり、（ｂ）は、当該ガラス蛍光体における回折構造の構造を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で撮影した画像であり、（ｃ）は、当該回折構造の断面形状を示す曲線である。 （ａ）は、白色光を照射したときのデジタルカメラの画像であり、（ｂ）は、ＵＶ光を照射したときの前記デジタルカメラの画像である。 （ａ）は、間隔ｄ＝５００ｎｍのガラス蛍光体に波長４０５ｎｍのレーザ光を入射角θ_ｉ＝５°で照射したときの写真であり、（ｂ）は、当該ガラス蛍光体からの出射光の周波数スペクトルである。 突条の間隔と蛍光強度との関係を検証するための実験の概略図である。 突条の間隔と蛍光強度との関係を示すグラフである。 入射角と蛍光強度との関係を検証するための実験の概略図である。 入射角と蛍光強度との関係を示すグラフである。 入射角と蛍光強度との関係を検証するための実験の概略図である。 入射角と蛍光強度との関係を示すグラフである。 入射面のみに回折構造が形成されたガラス平板に、波長４０５ｎｍのｓ偏光を垂直に入射させた場合の、透過光、透過方向への回折光、およびそれらの合計の強度と、突条の間隔との関係を示すグラフである。 反対面のみに回折構造が形成されたガラス平板に、波長４０５ｎｍのｓ偏光を垂直に入射させた場合の、透過光、透過方向への回折光、およびそれらの合計の強度と、突条の間隔との関係を示すグラフである。 反対面のみに回折構造が形成されたガラス平板に、波長６２０ｎｍのｓ偏光を垂直に入射させた場合の、透過光、透過方向への回折光、およびそれらの合計の強度と、突条の間隔との関係を示すグラフである。 図１３のグラフと図１８のグラフとを重ねたものである。 間隔の異なる突条が入射面に形成された各ガラス平板に、波長４０５ｎｍのｓ偏光を入射させた場合の、透過光、透過方向への回折光、およびそれらの合計の強度と、入射角との関係を示すグラフである。 高さの異なる突条が入射面に形成されたガラス平板に、波長４０５ｎｍのｓ偏光を入射させた場合の、ピークトップ角度と突条の間隔との関係を示すグラフである。 間隔の異なる突条が反対面に形成された各ガラス平板に、波長４０５ｎｍのｓ偏光を入射させた場合の、透過光、透過方向への回折光、およびそれらの合計の強度と、入射角との関係を示すグラフである。 高さの異なる突条が反対面に形成されたガラス平板に、波長４０５ｎｍのｓ偏光を入射させた場合の、ピークトップ角度と突条の間隔との関係を示すグラフである。 ガラス蛍光体の反対面における光の電場分布シミュレーション結果を示す図である。 入射面のみに回折構造が形成された屈折率の異なるガラス平板に、波長４５０ｎｍのｓ偏光を垂直に入射させた場合の、入射光への回折効率と突条の間隔との関係を示すグラフである。 反対面のみに回折構造が形成された屈折率の異なるガラス平板に、波長４５０ｎｍのｓ偏光を垂直に入射させた場合の、出射光への回折効率と突条の間隔との関係を示すグラフである。 入射面のみに回折構造が形成されたガラス平板に、波長４０５ｎｍのｓ偏光を垂直に入射させた場合の、回折効率と突条の間隔との関係を示すグラフである。 反対面のみに回折構造が形成されたガラス平板に、波長４０５ｎｍのｓ偏光を垂直に入射させた場合の、回折効率と突条の間隔との関係を示すグラフである。 （ａ）および（ｂ）は、ガラス蛍光体の変形例を示す断面図および底面図である。

以下、本発明の一実施形態について添付図面を参照して説明する。なお、本発明は、下記の実施形態に限定されるものではない。

（ガラス蛍光体の構成）
図１（ａ）は、本実施形態に係るガラス蛍光体１の断面図であり、図１（ｂ）は、ガラス蛍光体１の平面図である。ガラス蛍光体１は、発光中心を含んでおり、通常、１．５～２．０程度の屈折率を有する。発光中心としては、例えばＥｕ，Ｃｅなどの希土類イオンやＣｕなどの遷移金属イオン、Ｓｎなどの重金属イオンを含有した酸化物ガラスやフッ化物ガラスが挙げられる。これにより、ガラス蛍光体１は、波長がλ（本実施形態では、３５０ｎｍ≦λ≦４７０ｎｍ）の光を照射すると蛍光を発する。

さらにガラス蛍光体１は、外面の少なくとも一部に、光を回折させる回折構造２が形成されている。ガラス蛍光体１の形状および大きさは特に限定されないが、本実施形態では平面視矩形の平板形状であり、回折構造２はガラス蛍光体１の少なくとも一方の平板面に形成されている。図１（ａ）に示すように、回折構造２は、光が入射する入射面１ａに形成されており、所定の方向（図１において左右方向）に配列された複数の突条２ａである。突条２ａの個数は特に限定されないが、通常は、多数（数万～数十万個）形成される。突条２ａの断面形状は特に限定されないが、本実施形態では、断面の外形が正弦曲線と近似している。

突条２ａの間隔ｄは、隣り合う突条２ａの中心間の距離（図１ａ参照）である。間隔ｄは、光の回折現象が生じるのであれば、特に限定されないが、光の波長がλである場合、０．７５×λ≦ｄ≦２．００×λであることが好ましく、０．９０×λ≦ｄ≦λであることがさらに好ましい。また、複数の波長の光が混ざっている白色光等の波長は、ピーク波長、あるいは光のエネルギーの３０％以上の成分を含む波長と定義する。例えば、光の波長が４００ｎｍ～４１０ｎｍである場合、３００ｎｍ≦ｄ≦８００ｎｍであることが好ましく、３６５ｎｍ≦ｄ≦４０５ｎｍであることが特に好ましい。また、光の波長が４５０ｎｍ～４７０ｎｍである場合、３４０ｎｍ≦ｄ≦９００ｎｍであることが好ましく、４０５ｎｍ≦ｄ≦４５０ｎｍであることが特に好ましい。

突条２ａの高さｈは、光の回折現象に影響を与えない限り特に限定されず、例えば、間隔ｄの数分の１程度である。

（光の挙動）
図２は、図１（ａ）に示すガラス蛍光体１の部分拡大断面図であり、ガラス蛍光体１の入射面１ａに光Ｌｉｎ（波長λ）が入射した場合の、光の挙動を示している。光Ｌｉｎ（波長λ）は、ガラス蛍光体１に入射する際に、複数の突条２ａによって、回折光Ｌｄ１（波長λ）および透過光Ｌｔ（波長λ）となる。透過光Ｌｔ（波長λ）の一部は、入射面の反対面１ｂにおいて反射する（反射光Ｌｒ１（波長λ））。また、回折光Ｌｄ１（波長λ）については、回折角（回折光Ｌｄ１（波長λ）と透過光Ｌｔ（波長λ）との角度）がガラス蛍光体１の臨界角以上である場合、回折光Ｌｄ１（波長λ）は、ガラス蛍光体１の界面において突条がない場合は全反射、突条がある場合は高い反射率で反射を繰り返すので、光路長が著しく増大する。これにより、外部量子効率が高くなり、ガラス蛍光体１の厚みを大きくすることなく、ガラス蛍光体１の発光効率を高めることができる。

ガラス蛍光体１の臨界角θ_ｃ（ｄｅｇ．）は、ガラス蛍光体１の屈折率をｎ_１、空気の屈折率をｎ_０とすると、

により与えられる。例えば、ｎ_１＝１．６２、ｎ_０＝１．００とすると、θ_ｃ＝３９（ｄｅｇ．）である。

図３（ａ）は、屈折率ｎ_１＝１．６２のガラス蛍光体１における、回折光Ｌｄ１（ｓ偏光）の回折角βと反射率との関係を示すグラフである。回折角βが臨界角である３９（ｄｅｇ．）以上であれば、反射率が１（全反射）になり、光路長が著しく増大するため好ましい。一方で、β＞θ_Ｃであっても、βが大きいほど反射角が小さくなるので、ガラス蛍光体１の単位面積あたりの反射回数が小さくなり、その結果、光路長が小さくなる。よって、βはθ_Ｃより大きく、かつ、θ_Ｃに近いほど発光量が大きい。

また、突条２ａの間隔をｄ、回折光Ｌｄ１（波長λ）の入射角をθ_i、回折次数をｍとすると、透過方向の回折角θ_ｔは、

ｎ_０：周囲媒体の屈折率
ｎ_１：ガラス蛍光体の屈折率
θ_i：入射光の面直角度
φ_i：入射光の面内角度
θ_ｔ：透過回折の面直角度
φ_ｔ：透過回折の面内角度
λ：波長
ｄ_ｘ：ｘ方向（光の入射方向の入射面に平行な成分）の突条の間隔
ｄ_ｙ：ｙ方向の突条の間隔
ｍ：回折次数
ｍ’：回折次数
により与えられる。ここで、回折角βは透過方向と反射方向の両方に存在するので、これらを区別のため、透過方向の回折角をθ_ｔ、反射方向の回折角をθ_ｒとおいた。また、光がガラス蛍光体１から周囲媒体へ入射するときの反射方向の回折角θ_ｒは、以下の式によって与えられる。

ｎ_０：周囲媒体の屈折率
ｎ_１：ガラス蛍光体の屈折率
θ_i：入射光の面直角度
φ_i：入射光の面内角度
θ_ｔ：透過回折の面直角度
φ_ｔ：透過回折の面内角度
λ：波長
ｄ_ｘ：ｘ方向（光の入射方向の入射面に平行な成分）の突条の間隔
ｄ_ｙ：ｙ方向の突条の間隔
ｍ：回折次数
ｍ’：回折次数
また、レーザ光がガラス蛍光体１から周囲媒体へ出射するときの回折角は、以下の式によって与えられる。

回折角が臨界角を超える場合、回折光はガラス蛍光体内で反射を繰り返すため、見かけの光路長を顕著に増大させることができる。この時の条件は、前記突条が入射面にある場合は、〔数４〕および〔数５〕に示した式から、

として与えられる。すなわち、垂直入射の場合は、

として与えられる。また、前記突条が入射面の反対面にある場合、ガラス内部での反射方向の回折角θr’が臨界角θ_C以上となり入射光を効果的に閉じ込めるときのガラス蛍光体１から周囲媒体への出射角θ_i’は

として与えられる。すなわち、垂直出射の場合は、

である。

図３（ｂ）は、入射光Ｌｉｎの波長λが４０５（ｎｍ）である場合の、回折角と突条２ａの間隔ｄとの関係を示すグラフである。同グラフにおける破線は、臨界角θ_ｃ（＝３９（ｄｅｇ．））を示している。回折角が臨界角よりも大きければ（破線と曲線（特に１次回折曲線）との交点に対応する間隔よりもｄが小さければ））、回折光Ｌｄ１はガラス蛍光体１を透過せずに内部で全反射を繰り返す。１次回折（ｍ＝１）における、この時の全反射の条件は、透過面が空気（ｎ_０＝１）、入射角θ_i＝０（垂直入射）のとき、〔数４〕～〔数８〕に示した式から、突条が入射面にある場合は、ｄ≦ｍλ／ｎ_０となり、突条が入射面の反対面にある場合は、ｄ≦λとなる。例えば、波長λ＝４０５（ｎｍ）でガラス蛍光体の屈折率が１．６２のとき、突条が入射面にある場合はｄ≦４０５（ｎｍ）、入射面の反対面にある場合はｄ≦４０５（ｎｍ）であることが好ましいが、回折角が臨界角に近いほど反射率は高くなるので、ｄがこれよりも多少大きくても、発光効率を高めることができる。なお、入射角θ_i≠０の場合については、後述する。

（ガラス蛍光体の製造方法）
本実施形態に係るガラス蛍光体１は、ナノインプリント成型加工によって製造することができる。図４（ａ）～（ｃ）は、ガラス蛍光体１の製造工程を示す概略図である。

まず、平板状のガラス蛍光体１１を作製し、図４（ａ）に示すように、ガラス蛍光体１１を２つの型２０，３０の間に挟み込み、加熱する。型２０には、多数の溝２１が形成されているため、図４（ｂ）に示すように、ガラス蛍光体１１の一部が溝２１に突出する。溝２１によって、ガラス蛍光体１１の一方面には、多数の突条が転写される。その後、型２０および型３０を取り外すことにより、図４（ｃ）に示すように、多数の突条２ａが形成されたガラス蛍光体１を製造することができる。

なお、ガラス蛍光体１を製造する方法は、ナノインプリント成型加工に限定されず、例えば、電子線描画装置を用いて構造をレジストに描画した後にガラス蛍光体をエッチングする方法も可能である。しかし、量産性の観点では、ナノインプリント成型加工が望ましい。

（ガラス蛍光体の変形例）
図１に示すガラス蛍光体１では、回折構造２が入射面１ａのみに形成されているが、本発明はこれに限定されない。例えば、図５（ａ）に示すガラス蛍光体１’のように、回折構造２が入射面１ａの反対面１ｂのみに形成されてもよい。あるいは、図５（ｂ）に示すガラス蛍光体１”のように、回折構造２が入射面１ａおよび反対面１ｂの両面に形成されてもよい。

図６は、図５（ａ）に示すガラス蛍光体１’の部分拡大断面図であり、ガラス蛍光体１’の入射面１ａに光Ｌｉｎが入射した場合の、光の挙動を示している。光Ｌｉｎの大部分は入射後に透過光Ｌｔとなり、その一部は入射面の反対面１ｂにおいて反射する（反射光Ｌｒ１）。また、反対面１ｂに複数の突条２ａが形成されていることにより、透過光Ｌｔが反射する際に、回折現象によって回折光Ｌｄ１が生じる。この回折光Ｌｄ１の回折角（回折光Ｌｄ１と透過光Ｌｔとの角度）がガラス蛍光体１’の臨界角以上である場合は反射率が高いので特に効果が大きい。このようにして、回折光Ｌｄ１は、ガラス蛍光体１’の界面において反射を繰り返すので、光路長が著しく増大する。これにより、外部量子効率が高くなり、ガラス蛍光体１’の厚みを大きくすることなく、ガラス蛍光体１’の発光効率を高めることができる。

なお、図５（ｂ）に示すガラス蛍光体１”では、図２および図６において説明した両方の挙動が生じるため、ガラス蛍光体１およびガラス蛍光体１’よりも発光効率を高めることができる。

（入射角の調整）
上述の形態では、入射光をガラス蛍光体の入射面に対して垂直に入射させていたが、特に、入射光の指向性が強い場合、入射光をガラス蛍光体の入射面に対して傾斜させてもよい。後述の実施例で説明するように、入射光をガラス蛍光体の入射面に対して所定の範囲で傾斜させたほうが、入射光を垂直に入射させた場合よりも蛍光強度が大きくなる場合もある。

図７は、本実施形態に係る照明装置１０の概略図である。照明装置１０は、ガラス蛍光体１、および、ガラス蛍光体１に光を照射する光源３を備えている。ガラス蛍光体１は、図１に示すものと同一であり、入射面１ａのみに突条が形成されている。光源３は、レーザ光を出射するレーザ光源である。レーザ光の指向方向はガラス蛍光体１の入射面１ａに対して傾斜しており、レーザ光の入射方向の入射面１ａに平行な成分が、突条の長手方向に垂直となっている。このときのレーザ光と入射面１ａとの角度を入射角θ_ｉとする。

照明装置１０では、光源３からの光の波長がλである場合、入射角θ_ｉは、［数８］であることが好ましい。入射面１ａのみに突条が形成されている場合、［数８］は、以下のように導出される。

レーザ光が周囲媒体からガラス蛍光体１へ入射するときの回折角は、［数４］の式によって与えられる。

ここでは、突条が１次元であると仮定しているので、φ_ｔ＝０、φ_r＝０とする。また、ｄ_ｙ＝∞とするとθ_ｒ＝θ_ｔとなり、回折しないので、突条の長さ方向の効果については無視する。回折角が臨界角を超えたとき光を閉じ込めることができるので、［数４］および［数５］から［数８］が導出される。さらに、反射方向の回折角が９０°となる条件のとき、反射方向に最大の回折を示すと仮定すると、回折効率が最大となる条件は［数９］となる。

例えば、屈折率が１．６２のときは臨界角θ_ｃは３９°であるから、回折角βが３９°以上の場合に光を好適に閉じ込めることができる。とくに、回折角が９０°となるときに最大の回折効率を示すとすると、光源３からの光の波長が４００ｎｍ～４１０ｎｍで突条２ａの間隔ｄが５００ｎｍのとき、θ_ｉｎ＝１０°～５０°であることが好ましく、θ_ｉｎ＝１３°であることが特に好ましい。

図８は、図７に示す照明装置１０の変形例である照明装置１０’の概略図である。照明装置１０’は、照明装置１０において、ガラス蛍光体１をガラス蛍光体１’に置き換えたものである。ガラス蛍光体１’は、図５（ａ）に示すものと同一であり、反対面１ｂのみに突条が形成されている。照明装置１０’の他の構成は、照明装置１０と同一である。

照明装置１０’では、光源３からの光の波長がλｎｍである場合、ガラス蛍光体からの出射角θ_ｉ’は、［数１０］のとき回折光が臨界角を超えるため発光を増強するために好ましい。反対面１ｂのみに突条が形成されている場合、［数１０］は、以下のように導出される。

レーザ光がガラス蛍光体１から周囲媒体へ出射するときの反射方向の回折角は、［数８］の式によって与えられる。

ここでは、突条が１次元であると仮定しているので、φ_ｔ＝０、φ_ｒ＝０とする。また、ｄ_ｙ＝∞とするとθ_ｒ＝θ_ｔとなり、回折しないので、突条の長さ方向の効果については無視する。透過方向の回折角が臨界角以上になる条件のとき、光の透過強度を著しく低減させるとすると、その条件はθｔ≧θｃである。これを満たすガラス蛍光体１からの出射角は［数１０］で与えられる。特に、垂直入射の場合、θ_iを０とおいて、［数１１］のように整理される。

同様に、入射面の反対面に上記突条がある場合、見かけの光路長を顕著に増大させる入射角は［数８］で与えられる。特に、垂直入射の場合、θ_iを０とおいて、［数９］のように整理される。

ここでは、突条が１次元であると仮定しているので、φ_ｔ＝０、φ_ｒ＝０とする。また、ｄ_ｙ＝∞とするとθ_ｒ＝θ_ｔとなり、回折しないので、突条の長さ方向の効果については無視する。透過方向の回折角が臨界角を超える条件のとき、反射方向に最大の回折を示すと仮定すると、回折効率が最大となる条件が［数１０］で与えられる。

θ_ｉ’は、ガラス蛍光体１の内部からの入射角であり、周囲媒体側からの入射方向に対してスネルの法則により屈折しており、周囲媒体側からの入射角θ_ｉ’（＝θ_ｉ）は［数８］のように導出される。特に、垂直入射の場合、θ_iを０とおいて、［数１１］のように整理される。

例えば、屈折率が１．６２のときは臨界角θ_ｃは３９°であるから、回折角βが３９°以上の場合に光を好適に閉じ込めることができる。例えば、光源３からの光の波長が４００ｎｍ～４１０ｎｍで突条２ａの間隔ｄが５００ｎｍのとき、θ_ｉ＝１０°～４０°であることが好ましく、θ_ｉ＝２２°であることが特に好ましい。

なお、光源３がＬＥＤ光源である場合、一般に指向性の強い光ではあるが、例えば配光角度は３０°程度はあるため、入射光の光軸がガラス蛍光体１またはガラス蛍光体１’の入射面１ａに対して垂直であっても、前記θ_ｉ＝１０°～４０°で入射する成分も存在する。そのため、入射光の光軸がガラス蛍光体の入射面に対して傾斜するように光源３を必ずしも配置する必要はない。

（付記事項）
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能であり、例えば、上記実施形態に開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる形態も、本発明の技術的範囲に属する。

また、上記実施形態では、回折構造として、複数の突条を有する構造を説明したが、光を回折させる構造であれば、これに限定されない。例えば、モスアイ状のように周期的に突起構造を配置してもよい。

また、突条の間隔は必ずしも一定である必要はない。突条の間隔が一定でない場合、その効果は若干下がるが、同様の効果を得ることはできる。

以下、本発明の実施例について説明するが、本発明は下記の実施例に限定されない。

［実施例１］
（ガラス蛍光体の製造）
実施例１では、図１に示すガラス蛍光体１、図５（ｂ）に示すガラス蛍光体１”および図３１（ａ）、（ｂ）に示すガラス蛍光体１''’を作製した。具体的には、Ｅｕ_２Ｏ_３、ＢａＣＯ_３、ＭｇＦ_２、ＭｇＯ、Ｂ_２Ｏ_３試薬を合計３０ｇになるよう秤量し、混合した。混合物を白金るつぼに入れて１１００度で２０分間、電気炉中で熔融し、融液を１００度に加熱した鉄板に流しだすことで固化した。このようにして、２．９Ｅｕ_２Ｏ_３－３３．０ＢａＯ－１８．９ＭｇＦ_２－１８．９ＭｇＯ－２６．３Ｂ_２Ｏ_３（ｍｏｌ％）のガラス蛍光体を熔融急冷法により作製した。ガラス蛍光体の屈折率は１．６２であった。また、このガラスの内部量子効率を絶対量子効率測定システム（大塚電子製、ＱＥ－１１００）で求めた結果、励起光４０５ｎｍにおいて９５％であった。このガラス蛍光体を１０ｍｍ×１０ｍｍ×３ｍｍの平板状に切断、研磨して、図４（ａ）に示すガラス蛍光体１１に加工した後、ナノインプリント成型加工を施した。

ナノインプリント成型加工では、図４（ａ）に示す型２０として、縦２５ｍｍ×横２５ｍｍ×厚さ２ｍｍのＳｉＣの型を用いた。型２０には、中央部を含む６ｍｍ×６ｍｍの領域に、回折構造を転写するための溝２１が形成されており、溝２１の間隔が２５０ｎｍ、３００ｎｍ、５００ｎｍ、および１５００ｎｍの４種類の型２０を用意した。そして、東芝機械株式会社製のナノインプリント装置（型名：ＧＭＰ－３１１）を用いて、ガラス蛍光体１１を真空下で５２０度に加熱しながら、型２０および型３０によって１０ＭＰａの圧力で１２０秒間、押圧することで、突条２ａをガラス蛍光体１１の一方面または両面に転写した。これにより、間隔が２５０ｎｍ、３００ｎｍ、５００ｎｍ、および１５００ｎｍの突条２ａが入射面１ａに形成された４種類のガラス蛍光体１、および、間隔が５００ｎｍの突条２ａが両面に転写された２種類のガラス蛍光体１”，１''’を作製した。なお、ガラス蛍光体１”では、入射面１ａの突条２ａの延伸方向と反対面１ｂの突条２ａの延伸方向とが平行である。一方、ガラス蛍光体１''’では、入射面１ａの突条２ａの延伸方向と反対面１ｂの突条２ａの延伸方向とが直交している。いずれのガラス蛍光体においても、突条２ａの高さは１８０ｎｍであった。

図９（ａ）は、ガラス蛍光体１の写真である。回折構造２は、入射面１ａの中央を含む６ｍｍ×６ｍｍの矩形領域に形成した。図９（ｂ）は、ガラス蛍光体１における回折構造２の構造を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で撮影した画像であり、図９（ｃ）は、回折構造２の断面形状を示す曲線である。図９（ｃ）に示すように、回折構造２を構成する突条２ａの間隔ｄは５００ｎｍであり、高さｈは１８０ｎｍである。

（蛍光強度増大の確認）
続いて、間隔ｄ＝５００ｎｍのガラス蛍光体１の入射面１ａに、白色光または波長３７５ｎｍのＵＶ光を照射し、ガラス蛍光体１からの出射光をデジタルカメラで撮影した。ＵＶ光の光源は、紫外ＬＥＤを使用した。

図１０（ａ）は、白色光を照射したときの前記デジタルカメラの画像であり、図１０（ｂ）は、ＵＶ光を照射したときの前記デジタルカメラの画像である。これらの画像では、回折構造２が形成されている中央の矩形領域の輝度が、平坦な構造である周囲よりも大きくなっており、回折構造２により蛍光強度が増加したことが確認できた。

また、図１１（ａ）は、間隔ｄ＝５００ｎｍのガラス蛍光体１に波長４０５ｎｍのレーザ光を入射角θ_ｉ＝５°で照射したときの写真であり、図１１（ｂ）は、当該ガラス蛍光体１からの出射光の周波数スペクトルである。図１１（ａ）では、レーザ光が入射したガラス蛍光体１の中央部から端面に向かって、赤色の蛍光が帯状に伝搬していることが分かる。図１１（ｂ）において、実線は、ガラス蛍光体１からの出射光の周波数スペクトルであり、破線は、従来の平坦なガラス蛍光体からの出射光の周波数スペクトルである。よって、ガラス蛍光体１に回折構造を形成することで、蛍光強度が増大したことが確認できた。

（突条の間隔と蛍光強度との関係）
続いて、図７に示す照明装置１０および図８に示す照明装置１０’を用いて、突条２ａの間隔と蛍光強度との関係を検証した。ガラス蛍光体としては、突条２ａの間隔が２５０ｎｍ、３００ｎｍ、５００ｎｍ、１５００ｎｍの４種類のガラス蛍光体１、突条２ａの間隔が２５０ｎｍ、３００ｎｍ、５００ｎｍ、１５００ｎｍの４種類のガラス蛍光体１’、突条２ａの間隔が５００ｎｍの２種類のガラス蛍光体１”，１''’、従来の平坦なガラス蛍光体、および、入射面またはその反対面にモスアイ構造が３００ｎｍの間隔で形成されたガラス蛍光体を用いた。照明装置１０を用いた検証では、図１２（ａ）に示すように、ガラス蛍光体１の光源３側の入射面１ａに突条２ａが形成されている。照明装置１０’を用いた検証では、図１２（ｂ）に示すように、ガラス蛍光体１’の光源３の反対面１ｂに突条２ａが形成されている。光源３としては、波長４０５ｎｍのレーザ光を出射するレーザ光源を用いた。光源３とガラス蛍光体１との間に、光源３からのレーザ光のｓ偏光のみを通過させる偏光板４を配置した。また、ガラス蛍光体１の反対面１ｂ側を直径１５０ｍｍの積分半球６で覆い、積分半球６によってガラス蛍光体１からの蛍光を収集した。そして、積分半球６によって収集された蛍光の強度を、検出器５によって検出した。

図１３は、突条２ａの間隔ｄと、検出器５が検出した蛍光強度との関係を示すグラフである。同グラフにおいて、従来の平滑なガラス蛍光体から出射された蛍光の強度を間隔０ｎｍと定義し、当該強度を１．０と規格化している。黒丸印は、入射面１ａに突条２ａが形成されたガラス蛍光体１から出射された蛍光の強度であり、白丸印は、反対面１ｂに突条２ａが形成されたガラス蛍光体１’から出射された蛍光の強度である。また、黒三角印は、入射面にモスアイ構造が形成されたガラス蛍光体から出射された蛍光の強度であり、白三角印は、入射面の反対面にモスアイ構造が形成されたガラス蛍光体から出射された蛍光の強度である。また、黒四角印はガラス蛍光体１”から出射された蛍光の強度であり、白四角印はガラス蛍光体１''’から出射された蛍光の強度である。図１３から、間隔ｄ＝２５０ｎｍ、３００ｎｍおよび５００ｎｍの突条２ａを入射面１ａまたは反対面１ｂに形成することにより、蛍光強度が１．５倍以上に増大しており、特に、本実施例の範囲では間隔ｄ＝５００ｎｍの突条２ａを入射面１ａに形成した場合の蛍光強度が最も高くなっている。また、間隔ｄ＝５００ｎｍの突条２ａを入射面１ａおよび反対面１ｂの両方に形成することにより、蛍光強度が２倍または３倍以上に増大している。

（入射角と蛍光強度との関係）
続いて、図７に示す照明装置１０を用いて、入射角と蛍光強度との関係を検証した。本実施例では、図１４（ａ）に示すように、照明装置１０を用意し、光源３として、波長４０５ｎｍのレーザ光を出射するレーザ光源を用いた。ガラス蛍光体１の入射面１ａに形成された突条２ａの間隔は５００ｎｍであった。また、光源３とガラス蛍光体１との間に、光源３からのレーザ光のｓ偏光のみを通過させる偏光板４を設け、さらに、ガラス蛍光体１の反対面１ｂ側には、ガラス蛍光体１からの出射光を無偏光で検出する検出器５を設けた。そして、光源３を移動させて、レーザ光と入射面１ａとの入射角θ_ｉ（θ_ｉ’）を変化させながら、ガラス蛍光体１からの出射光の強度を検出器５によって検出した。

また、レーザ光の入射方向と突条２ａの長手方向との角度を２通りに設定した。一方では、図１４（ｂ）に示すように、レーザ光の入射方向の入射面１ａに平行な成分Ｐが、突条２ａの長手方向に垂直となるように、ガラス蛍光体１を配置した。このときのレーザ光と入射面１ａとの角度を入射角θ_ｉとする。他方では、図１４（ｃ）に示すように、レーザ光の入射方向の入射面１ａに平行な成分Ｐが、突条２ａの長手方向に平行となるように、ガラス蛍光体１を配置した。このときのレーザ光と入射面１ａとの角度を入射角θ_ｉ’とする。

図１５は、照明装置１０における、入射角θ_ｉ（θ_ｉ’）と出射光の強度との関係を示すグラフである。このグラフにおいて、破線は、ガラス蛍光体１を図１４（ｂ）に示すように配置した場合を示しており、実線は、ガラス蛍光体１を図１４（ｃ）に示すように配置した場合を示している。この結果から、レーザ光の入射方向の入射面１ａに平行な成分Ｐが、突条２ａの長手方向に垂直であるとき、入射角θ_ｉが１０°～３０°である場合に、出射光の強度が大きくなり、入射角θ_ｉが１３°である場合に、出射光の強度が最大となることが確認できた。また、レーザ光の入射方向の入射面１ａに平行な成分Ｐが、突条２ａの長手方向に平行であるとき、入射角θ_ｉ’が３０°～８０°である場合に、出射光の強度が大きくなることが確認できた。このことから、θ_ｉ（θ_ｉ’）＝ａｒｃｓｉｎ（１－ｍλ／ｎ_０ｄ）°が好適であることが確認できた。なお、グラフには示していないが、回折構造が形成されていない従来のガラス蛍光体では、出射光強度は入射角にほとんど依存しなかった。また、レーザ光の入射方向の入射面１ａに平行な成分Ｐと突条２ａの長手方向とが垂直または平行以外の場合、入射角と出射光の強度との関係は、成分Ｐの突条２ａの長手方向に垂直な成分と平行な成分との重ね合わせによって決まる。

同様の検証を、図８に示す照明装置１０’を用いて行った。具体的には、図１６（ａ）～（ｃ）に示すように、図１４に示すガラス蛍光体１をガラス蛍光体１’に置き換えて、レーザ光と入射面１ａとの入射角θ_ｉ（θ_ｉ’）を変化させながら、ガラス蛍光体１’からの出射光の強度を検出器５によって検出した。

図１７は、照明装置１０’における、入射角θ_ｉ（θ_ｉ’）と出射光の強度との関係を示すグラフである。このグラフにおいて、破線は、ガラス蛍光体１’を図１６（ｂ）に示すように配置した場合を示しており、実線は、ガラス蛍光体１’を図１６（ｃ）に示すように配置した場合を示している。この結果から、レーザ光の入射方向の入射面１ａに平行な成分Ｐが、突条２ａの長手方向に垂直であるとき、入射角θ_ｉが１４°～４０°である場合に、出射光の強度が大きくなることが確認できた。また、出射光強度は入射角θ_ｉは２３°付近を中心とした山成の曲線を描いた。また、レーザ光の入射方向の入射面１ａに平行な成分Ｐが、突条２ａの長手方向に平行であるとき、入射角θ_ｉ’が３０°～８０°である場合に、出射光の強度が大きくなることが確認できた。このことから、θ_ｉ（θ_ｉ’）＝ａｒｃｓｉｎ（１－ｍλ／ｎ_０ｄ）°が好適であることが確認できた。なお、グラフには示していないが、回折構造が形成されていない従来のガラス蛍光体では、出射光強度は入射角にほとんど依存しなかった。

［実施例２］
（シミュレーション条件）
実施例２では、回折構造を形成することによる蛍光強度の増大を説明するため、光の挙動についてシミュレーションによる解析を行った。本実施例では、DiffractMod（RSoft製）のソフトウェアによる厳密結合波解析（Rigorous Coupled Wave Analysis, RCWA）を用いて解析した。具体的には、複数の突条を有する回折構造が入射面および反対面のいずれかに形成された屈折率１．６２のガラス平板に、波長４０５ｎｍのｓ偏光を入射させたとき（励起光の照射に相当）および入射光と同じ波長の光（励起光が蛍光変換されずにガラス平板を透過したものに相当）または６２０ｎｍの波長の光が出射するときの挙動を計算した。突条の間隔ｄは１７５ｎｍ～２０００ｎｍの範囲で変化させ、突条の高さは１３０ｎｍで固定した。突条の断面形状は幅がｄ／２の正弦波状で設定し、間隔に応じて前記正弦波の周期を変更した。

（垂直入射光に対する回折強度と突条の間隔との関係）
図１８は、入射面のみに回折構造が形成された上記ガラス平板に、波長４０５ｎｍのｓ偏光を垂直に入射させた場合の、透過光、透過方向への回折光、およびそれらの合計の強度と、突条の間隔ｄとの関係を示すグラフである。同グラフから、間隔ｄが３５０ｎｍ～８００ｎｍの場合に、回折光の強度が大きくなり、特に、間隔ｄ＝３９０ｎｍの場合に、回折光の強度が最大になっている。

図１９は、反対面のみに回折構造が形成された上記ガラス平板に、波長４０５ｎｍのｓ偏光を垂直に入射させた場合の、透過光、透過方向への回折光、および全光量の強度と、突条の間隔ｄとの関係を示すグラフである。同グラフから、間隔ｄが３５０ｎｍ～８００ｎｍの場合に、回折光の強度が大きくなり、特に、間隔ｄ＝３９０ｎｍの場合に、回折光の強度が最大になっている。

図２０は、反対面のみに回折構造が形成された上記ガラス平板に、波長６２０ｎｍのｓ偏光を垂直に入射させた場合の、透過光、透過方向への回折光、および全光量の強度と、突条の間隔ｄとの関係を示すグラフである。同グラフから、間隔ｄが４５０ｎｍ～１２５０ｎｍの場合に、回折光の強度が大きくなり、特に、間隔ｄ＝６００ｎｍの場合に、回折光の強度が最大になっている。

図１８～図２０から、回折光の強度を大きくするためには、入射光の波長がλであるとすると、突条の間隔ｄが０．７５×λ≦ｄ≦２．００×λであることが好ましく、０．９５×λ≦ｄ≦０．９７×λであることが特に好ましいことが分かる。

図２１は、図１３のグラフと図１８のグラフとを重ねたものである。図２１のグラフから、突条２ａの間隔ｄと蛍光強度との関係は、実施例１における実証実験と本実施例のシミュレーションとで同様の傾向であることが分かる。

（入射角と強度との蛍光関係）
続いて、間隔の異なる突条が入射面または反対面に形成された複数種類のガラス平板に、波長４０５ｎｍのｓ偏光を入射角を変えながら入射させたときの挙動をシミュレーションにより計算した。突条の間隔ｄは、２５０ｎｍ、３００ｎｍ、３５０ｎｍ、４００ｎｍ、４５０ｎｍ、５００ｎｍ、７００ｎｍ、９００ｎｍ、１５００ｎｍおよび２０００ｎｍの１０通りを設定した。ガラス平板の屈折率は１．６２、突条の高さは１８０ｎｍで固定した。突条の断面形状は幅がｄ／２の正弦波状で設定した。

図２２は、間隔ｄ＝２５０ｎｍ、３００ｎｍ、４００ｎｍ、５００ｎｍ、９００ｎｍおよび２０００ｎｍの突条が入射面に形成された各ガラス平板に、波長４０５ｎｍのｓ偏光を入射させた場合の、透過方向への回折光の強度と、入射角との関係を示すグラフである。同グラフから、例えば間隔ｄ＝５００ｎｍの突条が形成されたガラス平板では、入射角が１０°～３０°である場合に、回折光の強度が大きくなり、前述の［数８］を満たす角度である１３度を中心として、その周辺角度で回折強度が大きくなった。間隔ｄ＝４００ｎｍの突条が形成されたガラス平板を除き、他のガラス平板においても同様の傾向がみられた。よって、実施例１における検証結果（図１５）と同様に、入射光を入射面に対して所定の範囲で傾斜させることで、蛍光強度を増大させることができることを確認できた。

図２３は、高さｈの異なる突条が入射面に形成されたガラス平板に、波長４０５ｎｍのｓ偏光を入射させた場合の、透過方向への回折光の強度が最大になるときの入射角（以下「ピークトップ角度」と称する）と、突条の間隔との関係を示すグラフである。同グラフにおいて、丸印、三角印および菱形印のプロットは、それぞれ突条の高さｈが９０ｎｍ、１８０ｎｍおよび３６０ｎｍである場合のピークトップ角度であり、破線は、前述の［数８］に基づいて算出したピークトップ角度の計算値である。また、上述のピークトップ角度と、突条の間隔の具体的な数値を表１に示す。

図２３および表１から、突条の高さが異なっても、ピークトップ角度と突条の間隔との関係は、［数８］とほぼ同様であることがわかる。よって、突条が入射面に形成されたガラス平板では、突条の高さにかかわらず、入射光を［数８］に基づいて算出したピークトップ角度だけ入射面に対して傾斜させることにより、蛍光強度をほぼ最大限に増大できることを確認できた。また、間隔ｄ＝２５０ｎｍ～７００ｎｍである場合、入射角を０°～３３°とすることが好ましく、間隔ｄ＝９００ｎｍ～２０００ｎｍである場合、入射角を３３°～５４°とすることが好ましいことが分かった。

図２４は、間隔ｄ＝２５０ｎｍ、３００ｎｍ、４００ｎｍ、５００ｎｍ、９００ｎｍおよび２０００ｎｍの突条が反対面に形成された各ガラス平板に、波長４０５ｎｍのｓ偏光を入射させた場合の、透過方向への回折光の強度と、入射角との関係を示すグラフである。同グラフから、実施例１における検証結果（図１７）と同様に、入射光を入射面に対して所定の範囲で傾斜させることで、蛍光強度を増大させることができることを確認できた。

図２５は、高さｈの異なる突条が反対面に形成されたガラス平板に、波長４０５ｎｍのｓ偏光を入射させた場合の、透過方向への回折光の強度が最大になるときの入射角（以下「ピークトップ角度」と称する）と、突条の間隔との関係を示すグラフである。このとき、シミュレーション及び計算は、光源がガラス平板内にある状態で計算を行った。同グラフにおいて、丸印、三角印および菱形印のプロットは、それぞれ突条の高さｈが９０ｎｍ、１８０ｎｍおよび３６０ｎｍである場合のピークトップ角度であり、破線は、前述の式［数１０］に基づいて算出したピークトップ角度の計算値である。また、上述のピークトップ角度と、突条の間隔の具体的な数値を表２に示す。空欄は明確なピークトップが無いことを意味する。

図２５および表２から、突条の高さが異なっても、ピークトップ角度と突条の間隔との関係は、［数１０］とほぼ同様であることがわかる。よって、突条が反対面に形成されたガラス平板では、突条の高さにかかわらず、ガラス蛍光体からの出射光の角度を［数１０］に基づいて算出したピークトップ角度だけ出射面に対して傾斜させることにより、蛍光強度をほぼ最大限に増大できることを確認できた。また、間隔ｄ＝２５０ｎｍ～２０００ｎｍである場合、入射角を０°～３２°とすることが好ましいことが分かった。また、この値は入射光がガラス表面で屈折した後の角度であり、周囲の媒体からガラス試料への入射角は平行なガラス蛍光体であれば［数８］に一致するため、表１の角度とほぼ一致する。

（電場分布シミュレーション）
図２６は、ガラス蛍光体１の反対面１ｂにおける光の電場分布シミュレーション結果を示す図である。ガラス蛍光体１の反対面１ｂには、回折角が最大となる３９０ｎｍの間隔で突条２ａが形成されており、光の波長は４０５ｎｍである。図２６から、光のエネルギーは突条２ａの表面に集中し、外部にあまり放出されていないことが分かる。つまり、突条２ａが形成されていることで、光の大半が反対面において反射し、空間にあまり抜けていない。

［実施例３］
（シミュレーション条件）
実施例３では、複数の突条を有する回折構造が入射面および反対面のいずれかに形成されたガラス平板に、所定の波長の光を入射させたときの光の挙動をシミュレーションによって解析した。これにより、突条の間隔と回折効率（蛍光強度）との関係が、突条の高さおよびガラス蛍光体の屈折率によって、どのように変化するのかを検証した。本実施例では、上述の実施例２と同様、DiffractMod（RSoft製）のソフトウェアによる厳密結合波解析（Rigorous Coupled Wave Analysis, RCWA）を用いて解析した。

（ガラス蛍光体の屈折率と回折効率との関係）
図２７は、入射面のみに回折構造が形成された屈折率の異なるガラス平板に、波長４５０ｎｍのｓ偏光を垂直に入射させた場合の、入射光への回折効率と突条の間隔ｄとの関係を示すグラフである。回折構造の突条の高さは１８０ｎｍであり、突条の断面形状は幅がｄ／２の正弦波状である。同グラフから、ガラス平板の屈折率ｎ＝１．９のとき、回折効率が最大となる間隔ｄは４４０ｎｍであり、ガラス平板の屈折率ｎ＝１．７のとき、回折効率が最大となる間隔ｄは４３０ｎｍであり、ガラス平板の屈折率ｎ＝１．５のとき、回折効率が最大となる間隔ｄは４２０ｎｍであった。入射光への回折効率が大きいほど、光がガラス平板内部を通過せずに戻るため、実質的な光路長が増加する。通常のガラスの屈折率は１．５～２．０程度であるため、回折効率を大きくするためには、間隔ｄを４０５ｎｍ～４５０ｎｍとすればよいことが確認できた。

図２８は、反対面のみに回折構造が形成された屈折率の異なるガラス平板に、波長４５０ｎｍのｓ偏光を垂直に入射させた場合の、出射光への回折効率と突条の間隔ｄとの関係を示すグラフである。回折構造の突条の高さは１８０ｎｍである。同グラフから、ガラス平板の屈折率ｎ＝１．９のとき、回折効率が最大となる間隔ｄは４５０ｎｍであり、ガラス平板の屈折率ｎ＝１．７のとき、回折効率が最大となる間隔ｄは４４０ｎｍであり、ガラス平板の屈折率ｎ＝１．５のとき、回折効率が最大となる間隔ｄは４４０ｎｍであった。出射光への回折効率が大きいほど、光がガラス平板内部を通過せずに戻るため、実質的な光路長が増加する。通常のガラスの屈折率は１．５～２．０程度であるため、回折効率を大きくするためには、間隔ｄを４０５ｎｍ～４５０ｎｍとすればよいことが確認できた。

図２７および図２８に示す結果から、実用上は、入射光の波長がλである場合、突条の間隔ｄは０．９０×λ≦ｄ≦λとすることが好ましいことが分かった。また、屈折率が高いほど、入射光への回折効率は高くなる一方、出射光への回折効率は低くなることが分かった。

（突条の高さと回折効率との関係）
図２９は、入射面のみに回折構造が形成されたガラス平板に、波長４０５ｎｍのｓ偏光を垂直に入射させた場合の、回折効率と突条の間隔ｄとの関係を示すグラフである。ガラス平板の屈折率は１．６２であり、回折構造の突条の高さｈは９０ｎｍ、１８０ｎｍおよび３６０ｎｍの３段階で変化させた。同グラフから、高さｈ＝９０ｎｍのとき、回折効率が最大となる間隔ｄは４００ｎｍであり、高さｈ＝１８０ｎｍのとき、回折効率が最大となる間隔ｄは３９０ｎｍであり、高さｈ＝３６０ｎｍのとき、回折効率が極大となる間隔ｄは４９０ｎｍであった。通常のガラスの屈折率は１．５～２．０程度であるため、回折効率を大きくするためには、間隔ｄを３６５ｎｍ～４０５ｎｍとすればよいことが確認できた。

図３０は、反対面のみに回折構造が形成されたガラス平板に、波長４０５ｎｍのｓ偏光を垂直に入射させた場合の、回折効率と突条の間隔ｄとの関係を示すグラフである。ガラス平板の屈折率は１．６２であり、回折構造の突条の高さｈは９０ｎｍ、１８０ｎｍおよび３６０ｎｍの３段階で変化させた。同グラフから、高さｈ＝９０ｎｍのとき、回折効率が最大となる間隔ｄは４００ｎｍであり、高さｈ＝１８０ｎｍのとき、回折効率が最大となる間隔ｄは３９０ｎｍであり、高さｈ＝３６０ｎｍのとき、回折効率が極大となる間隔ｄは３７０ｎｍであった。通常のガラスの屈折率は１．５～２．０程度であるため、回折効率を大きくするためには、間隔ｄを３６５ｎｍ～４０５ｎｍとすればよいことが確認できた。

図２９から、突条の高さを大きくするほど、全体的には回折効率が大きくなっているが、実際のナノインプリント成型加工では、突条の高さｈを大きくすることは容易ではなく、間隔ｄよりも大きくすることは困難である。そのため、実用的には高さは９０ｎｍ～３６０ｎｍ程度に設計される。そのため、図２９および図３０に示す結果から、実用上は、入射光の波長がλである場合、突条の間隔ｄは０．９０×λ≦ｄ≦λとすることが好ましいことが分かった。

１ ガラス蛍光体
１’ ガラス蛍光体
１” ガラス蛍光体
１''’ ガラス蛍光体
１ａ 入射面
１ｂ 反対面
２ 回折構造
２ａ 突条
３ 光源
４ 偏光板
５ 検出器
６ 積分半球
１０ 照明装置
１０’ 照明装置
１１ ガラス蛍光体

Claims (15)

1. 波長がλ（３５０ｎｍ≦λ≦４７０ｎｍ）の励起光を照射すると蛍光を発する平板形状のガラス蛍光体であって、
   一方の平板面に、前記励起光を回折させる回折構造が形成され、
   前記励起光は前記回折構造が形成された面に入射し、
   前記蛍光は前記回折構造が形成された面の反対面から出射し、
   前記回折構造は、所定の方向に配列された複数の突条であり、
   前記突条の間隔ｄは０．７５×λ≦ｄ≦２．００×λである、ガラス蛍光体。
2. 前記突条の間隔ｄは０．９０×λ≦ｄ≦λである、請求項１に記載のガラス蛍光体。
3. 前記励起光の波長が４００ｎｍ～４１０ｎｍであり、
   前記突条の間隔は３０８ｎｍ～８００ｎｍである、請求項１に記載のガラス蛍光体。
4. 前記励起光の波長が４００ｎｍ～４１０ｎｍであり、
   前記突条の間隔は３６５ｎｍ～４０５ｎｍである、請求項３に記載のガラス蛍光体。
5. 前記励起光の波長が４５０～４７０ｎｍであり、
   前記突条の間隔は３５３ｎｍ～９００ｎｍである、請求項１に記載のガラス蛍光体。
6. 前記励起光の波長が４５０～４７０ｎｍであり、
   前記突条の間隔は４０５ｎｍ～４５０ｎｍである、請求項５に記載のガラス蛍光体。
7. 請求項１～６のいずれかに記載のガラス蛍光体と、
   前記ガラス蛍光体に前記励起光を照射する光源と、を備えた、照明装置。
8. 回折次数がｍであり、
   前記ガラス蛍光体の周囲媒体の屈折率がｎ_０であり、
   前記ガラス蛍光体の屈折率がｎ_１であり、
   前記励起光が入射する平板面に前記突条が形成されており、
   前記励起光が入射する前記平板面の法線に対する角度(°)が、
   

   

   以上である、請求項７に記載の照明装置。
9. 回折次数がｍであり、
   前記ガラス蛍光体の周囲媒体の屈折率がｎ_０であり、
   前記ガラス蛍光体の屈折率がｎ_１であり、
   前記励起光が入射する平板面、または前記平板面の反対側の平板面に前記突条が形成されており、
   前記励起光が入射する前記平板面に対する角度が垂直であり、
   前記突条の間隔ｄが、
   

   

   以下である、請求項７に記載の照明装置。
10. 回折次数がｍであり、
    前記ガラス蛍光体の周囲媒体の屈折率がｎ_０であり、
    前記励起光が入射する平板面の反対側の平板面に前記突条が形成されており、
    前記励起光が前記ガラス蛍光体から出射する前記平板面の法線に対する角度(°)が、
    

    

    以上である、請求項７に記載の照明装置。
11. 前記励起光が入射する前記平板面の法線に対する角度(°)が、
    ａｒｃｓｉｎ（１－ｍλ／ｎ_０ｄ）である、請求項８または１０に記載の照明装置。
12. 前記励起光の波長が４００ｎｍ～４１０ｎｍであり、
    前記励起光が入射する平板面に前記突条が３０８ｎｍ～７００ｎｍの間隔で形成されており、
    前記励起光の入射方向の前記平板面に平行な成分が、前記突条の長手方向に垂直であり、
    前記励起光が入射する前記平板面の法線に対する角度が０°～３３°である、請求項７に記載の照明装置。
13. 前記励起光の波長が４００ｎｍ～４１０ｎｍであり、
    前記励起光が入射する平板面に前記突条が形成されており、
    前記励起光の入射方向の前記平板面に平行な成分が、前記突条の長手方向に平行であり、
    前記励起光が入射する前記平板面の法線に対する角度が３０°～８０°である、請求項７に記載の照明装置。
14. 前記励起光の波長が４００ｎｍ～４１０ｎｍであり、
    前記励起光が入射する平板面と反対側の平板面に前記突条が３０８ｎｍ～８００ｎｍの間隔で形成されており、
    前記励起光の入射方向の前記平板面に平行な成分が、前記突条の長手方向に垂直であり、
    前記励起光が入射する前記平板面の法線に対する角度が０°～３２°である、請求項７に記載の照明装置。
15. 前記励起光の波長が４００ｎｍ～４１０ｎｍであり、
    前記励起光が入射する平板面と反対側の平板面に前記突条が形成されており、
    前記励起光の入射方向の前記平板面に平行な成分が、前記突条の長手方向に平行であり、
    前記励起光が入射する前記平板面の法線に対する角度が３０°～８０°である、請求項７に記載の照明装置。

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